中国城市环境中空气负离子研究进展

生态环境学报 2013, 22(4): 705-711 Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor@

基金项目：安徽省教育厅自然科学重点项目(KJ2013A069)；安徽省教育基本建设学会科研课题(1211-3)；安徽建筑大学校级教学团队项目(2011TX01)

作者简介：王薇（1975年生），女，副教授，国家一级注册建筑师，博士研究生，研究方向为建筑技术和人居环境。E-mail: vivi.gan@ 收稿日期：2013-01-10

中国城市环境中空气负离子研究进展

王薇

1, 2

，余庄2

1. 安徽建筑大学建筑与规划学院，安徽 合肥 230022；

2. 华中科技大学建筑与规划学院，湖北 武汉 430074

摘要：空气负离子被誉为“空气维生素和生长素”，其浓度被列为衡量空气质量好坏的一个重要指标，对于城市空气质量的改善意义重大。综述了中国城市环境空气负离子研究方面的主要进展，对空气离子产生的机理机制、观测方法、时空特征、评价指标体系以及关键影响因子及其相互之间的关系等方面进行深入和系统的阐述。其中重点阐述了空气负离子与不同自然环境和建筑环境的关系。国内外主要研究结果表明，(1)不同环境场所下空气负离子浓度差别很大，呈现出由城市中心到郊区再到乡村逐渐增大的趋势。(2)空气负离子浓度的年变化和日变化均存在明显差异。(3)水体对空气负离子浓度影响较大，动态水的空气负离子浓度大于静态水，以瀑布为最大。同时离水体的距离越近，周边的空气负离子浓度越高。(4)空气负离子与风的关系最为密切，有风时空气负离子浓度高于无风时，且风速与空气中负离子浓度成正相关。其他因素如温湿度、天气状况、植物绿化、建筑材料以及建筑高度等都能影响空气负离子浓度的高低，从而影响城市环境的空气清新度，其中有研究者发现空气负离子能够降低空气中颗粒物的浓度，并与PM 2.5的关系最大。这些研究为综合地指导和评价城市环境空气质量提供科学依据和设计思路。因此笔者结合中国城市化的进程，进一步提出了更多的想法：(1)在控制性详细规划的层面上，与城市设计和城市绿地系统等研究结合起来，开展周期性的空气负离子浓度实证研究。(2)尝试建立空气负离子浓度与城市住区通风关系的评估方法，为城市住区空气清新度与通风关系的评估做应用性基础研究。 关键词：空气负离子；城市环境；水体；风；空气清新度；实证研究；通风

中图分类号：X16 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2013）04-0705-07

引用格式：王薇，余庄. 中国城市环境中空气负离子研究进展[J]. 生态环境学报, 2013, 22(4): 705-711.

WANG Wei, YU Zhuang. Research progress on negative air ions in urban environment in China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2013, 22(4): 705-711.

空气负离子具有杀菌、降尘、清洁空气、提高免疫力、调节机能平衡的功效，因而被誉为“空气维生素和生长素”[1]。面对逐渐恶化的环境状况，人们在世界范围内掀起了一股空气负离子研究的热潮，开始了空气负离子与城市环境关系的研究。研究发现，空气负离子浓度越高，空气越清洁，感觉就越舒服；空气负离子含量少，且正、负离子浓度比例大，空气就越差[2]，对人体健康和环境生态越有益，因而在环境评价中，空气负离子浓度被列为衡量空气质量好坏的一个重要指标。

目前对城市化引起的城市大气环境和生态环境等负面效应的缓解作用得到了充分的认识和运用，但是空气负离子浓度对于城市气候和生态环境的影响以及其在城市规划中的应用还没有被明确认识到。随着城市经济发展、人口增长以及城市建设，需要关注如何利用空气负离子的时空特征和关键影响因子等方面开展观测研究，进行符合气候和生态资源运行状态的设计，从而为综合地评价城市

生态环境状况提供客观依据[3]，并为今后的城乡建设规划、城市林业规划和环境保护提供科学依据和设计思路。

1 空气负离子产生的机理

空气中的负离子会使人体血液空气中的负氧离子增加，有利于血氧输送、吸收和利用，具有促进人体新陈代谢，提高人体免疫能力，增强人体机能，调节机体功能平衡的作用。据有关研究表明，空气负离子浓度达到700·cm -3以上时有益于人体健康，浓度达到1×104·cm -3以上时才能治病，当负离子浓度大于或等于正离子浓度时，才能感到舒适，并对多种疾病有辅助医疗作用[2]。其产生的主要来源于以下几个方面： 1.1 电离作用

大气分子受宇宙射线、阳光紫外线以及岩石土壤中的放射性元素不断放出的射线激发而发生电离，被释放出的电子经过地球吸收后再释放出来，很快附着在某些气体分子或原子上(特别容易附着

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在氧或水分子上)，成为空气负离子[4]。

1.2 Lenard效应

是指水滴在空气中运动能量的消耗伴随着电荷的分离，由诺贝尔奖获得者德国物理学家Philipp von Lenard在1894年发现的。水滴通过外加剪切力剥离大水滴形成水雾，即细小的水滴，水雾从水滴表面脱离时带上负电荷。水滴破碎后较大液滴带正电荷，在撞击过程中被空气带走的小水雾液滴带负电荷，从而形成负离子[4]。加之水的喷溅等作用带走了空气中的灰尘，对空气起到清洁作用，在清洁空气中空气负离子不断积累，从而使空气中的负离子浓度增加。研究表明，自然界瀑布口的Lenard效应强烈，周边空气负离子浓度较高。

1.3 植物的尖端放电和光电效应

森林树木、叶枝尖端放电，及绿色植物通过光合作用形成的光电效应，使空气电离而产生负离子。森林环境中乔灌木组合的植被覆盖度较高，绿量高，大量吸收了空气中的灰尘，因而周边空气负离子的浓度增加。

1.4 其他

此外，大气环境中的闪电、雷暴、雪暴、风暴、火山暴发以及其他形式的放电现象[5]，雨水的分解、电气石以及一些无机氧化物复合粉体、稀土复合盐等[4]，都能在空气中诱发负离子，从而增加空气负离子的浓度。

2 空气负离子的研究现状、研究方法与评价体系

2.1 研究现状

德国科学家Elster和Geital于1889年首次发现空气负离子的存在，1902年Aschkinass和Caspari等肯定了空气负离子存在的生物学意义，1931年一位德国医生发现了空气负离子对人体的影响，1932年美国CRA公司的汉姆逊发明了世界上第一台医用空气负离子发生器，此后空气负离子的科研在一些发达国家普及，经历了20世纪30、50和70年代共3次浪潮。近10年来，研究领域涉及空气离子对生物机体的生物学效应、应激反应、情感精神、听力、免疫和环境空气离子测量等[6]。如Xuan Ling等[7]对澳大利亚的主要城市和周边32个不同的户外区域进行了空气离子浓度的测定；Chih Cheng Wu等[8]对空气负离子与室内空气环境进行了研究。国外的研究多为关注空气负离子对空气质量的影响与评价。

中国对空气负离子的研究起步较晚，自1978年由伊朗的沙哈瓦特博士引进一台电子仪器——生物滤器(biological filter)，即中国负离子发生器的前身，开始了对空气负离子的研究工作。从夏廉博关于大气负离子对人体生物学效应的研究[9]开始，经历了20世纪80年代初和90年代初两个负离子的研究发展高潮[5]，取得了许多研究成果。

在这些科研工作中，主要侧重在人为干扰和自然环境中空气负离子水平以及空气负离子在医疗保健中的作用及其机理、空气负离子资源的开发利用等[10-14]。近年来对不同树种[15]、不同植被结构[16-17]、不同生态环境场所[3,18-19]的空气负离子浓度以及部分城市的绿地结构[1,20-23]和空气质量[10,24-25]等方面研究有所重视，但对城市环境特别是城市居住区、城市工业区、城市园林区、室内等环境的空气负离子时空变化特征以及其与周边影响因子的关系的相关研究甚少。

2.2 研究方法

2.2.1 观测仪器

空气负离子浓度以1 cm3空气中含有的空气离子数量来表示，单位为“cm-3”。目前大多数研究者采用的空气负离子测试仪主要有日本的KEC系列负氧离子测试仪，美国的AIC系列负离子检测仪以及国产的DLY系列大气离子测量仪等，其测定原理大多是电容式空气离子收集器收集空气离子携带的电荷，测量这些电荷形成的电流和取样空气流量，再换算出离子浓度[26]。

2.2.2 观测技术

负离子测试仪应放置距地面1.5 m处，与成人呼吸高度基本一致。研究者常规采用同一观测点不同方位，连续观测一段时间，手动记录数据。手动记录易产生误差，目前可以通过高智能记录仪使之与PC相连，实时显示空气离子浓度等数据并记录，然后通过计算机进行数据分析，提高了准确性和可靠性。

2.3 评价方法

目前国内外对空气负离子的评价还没有统一的标准，主要有单极系数、空气离子舒适带（英国）、重离子与轻离子的比、安倍空气质量评价系数（日本）、空气离子相对密度（德国）等评价指数，其中单极系数和安倍空气质量评价系数这两个评价指标应用最广。

2.3.1 单极系数（q）

在正常大气中，空气正、负离子浓度一般不相等，这种特征被称为大气的单极性。单极性用单极系数来表示，即空气中正离子与负离子的比值，即q=n+/n-。单极系数越小，表示空气中负离子浓度比正离子浓度高得越多，对人体越有利。日本学者研究表明，当n-大于1000个cm3，且q值小于1时，空气清洁舒适，对人体健康最为有益[10]。

2.3.2 安倍空气质量评价系数（CI）

日本学者安倍通过对城市居民生活区空气离